贝加莱 一种新型控制技术——PCC 在水电站中的应用

      目前在工业自动化领域具有代表性的控制方式可分为：单板机和单片机系统、可编程控制器（PLC ）、工业控制机（IPC ) 和计算机集散控制系统（DCS ）等四类。随着现代工业自动化越来越高的要求和计算机科学技术的发展，工业控制机和可编程控制器以及计算机集散控制系统正处在相互融合的发展阶段。而PCC ，即计算机可编程控制器，就是其中相互融合而产生的先进代表，它被认为是代表了当今工业控制技术的一大趋势。它面向控制并经济高效地集成了己广为工 控界熟悉的PLC 和IPC （工控机）的特点。通过两者的相互融合，取长补短，从而以较高的性能价格比，构成当代高水平的工业控制平台。而水电厂，由于其控制的复杂性和多对象、多层次等特点，使得其控制在实时性、可靠性等方面往往不尽人意！而PCC 的出现，使得这几个方面得到了较大的改善。可以预见，PCC 将在今后更广泛地应用到水电站计算机监控系统中。

1  方案的比较
     水电站监控系统是实现水电站综合自动化的基础，而现地控制单元，即LCU 是水电站计算机监控系统的基础和核心，其性能的好坏直接影响着整个计算机监控系统的工作状况。在目前的水电站监控系统中，较普遍的LCU 设计为工控机加PLC , 但也有单纯以工控机或PLC 为控制器的系统。下面对这几种方法进行比较。
       (l) IPC 控制。这种控制方式的结构图如图l ：这种结构的线路设计极为复杂，且不能满足实时性和可靠性等要求。很少有电站采用此方案。

图1   以IPC为控制器的LCU 结构图

     (2) PLC 控制。在这种控制结构中，PLC 不但负责顺序、数据处理等，还需要实现与上位机和现地设备等的通信。其结构图如图2 ：单纯采用PLC 为控制器的LCU，虽然结构比较简单，但也有很多不尽人意的地方。可编程控制器是按一般工业环境，采用标准化设计的，可靠性高，抗干扰性能好，但它事件分率不高，不能满足水电厂事件高分率的要求；另外其通信功能和数据处理能力受到一定的限制，一般的PLC 无论是通信接口还是所支持的通信协议，都很难满足与多智能设备实现通信的要求。也有可以满足通信要求的，如Quantum 系列PLC ，但其价格较为昂贵，性价比不高。

       (3) IPC+PLC 。这是目前较普遍的LCU 的控制方式。在这种控制系统中，IPC主要负责数据处理，完成与上位机的网络通信和PLC等通信，实现人机接口等，而可编程控制器完成数据采集和顺控功能。其结构图如图3 ：由图可知，PLC 只与机组控制相关的设备连接在一起，而温度巡检仪和电量测控仪等智能设备，由于不参与机组控制，只显示与机组伏态相关的一些参数，因此与工控机通过通信连接在一起，由工控机负责把上传的信息进行处理。
       在这种控制为式中，工控机作为计算机监控系统内部网络上的一个结点，各种数据经过工控机送到网上各个结点，控制命令经工控机下达到控制器等设备。因此，工控机的可靠性显得非常重要，工控机一旦故障，整个控制系统儿乎瘫痪。不但在上位机上下发的控制命令无效，且在现地的人机界面上也无法操作。虽然工控机是工控产品，但由于它的风扇、硬盘驱动器、软盘驱动器等旋转部件的存在，可靠性就降低了很多。且这种结构比较复杂。

       (4) PCC 控制。PCC 是一种新兴工业技术，它集中了IPC和PLC 两者的优点，其高可靠性和抗于扰能力以及强大的通信功能，使之在工业控制方面具有无可比拟的优势。因为水电站工作环境比较恶劣，控制任务繁重，且对事件分辨率要求较高，选用一般的IPC 或PLC 很难满足要求，因此我们选用PCC 作为现地控制单元的核心控制器。其结构和以PLC 为处理器的LCU 的结构相同。（见图2）由图可以看出，以PCC 为核心的现地控制单元结构简单。且由于PCC 具有强大的通信功能和多任务的实时编程环境，使计算机监控在结构、技术路线、实现方法上都有所创新。

2 硬件设计
       PCC 硬件是标准模件结构，全部模件均为固态插入或标准化结构组件。在底板总线上的设计采用了系统总线和I/O 总线分离布置的结构特点，大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力。并提供多种接口卡和通讯模块，使得PCC 和多种智能设备的通信成为可能。由于PCC 具有以上这些优点，因此以PCC 作为核心控制器的LCU 的硬件线路设计便相对简单。其典型配置如图4 。

      每块基板配置一电源模块，主基板和从基板的电源模块型号不同 。整个系统用一CPU 模块统一 协调管理，并根据需要配置相应的输入、输出模块等。
       面板开入信号、转速接点信号、保护信号、状态信号等通过DI模块输入PCC ，经用户程序判断处理后，发出相应的输出信号到DO 模块，控制输出继电器动作，从而控制二次电气回路。
       PCC 和调速器、励磁、保护、辅机等装置除用硬接线I / O 点交换信息外，还可用RS 一485 通信实现信息交换，有效的保证了系统的可靠性和信息的完整性。加之PCC 设备本身己充分采取了电气隔离技术，因此在设计LCU 的电气回路时，在抗干优技术环节上便可大大节省人力。

3 软件设计
      PCC 采用分时多任务的操作系统，将任务定性地分成不同的等级，不同的任务等级设置不同的循环时间 ，使任务的处理具有一定的优先级区别。对实时性要求较高的任务可设置为高等级的，相对地对时间要求没那么严格的任务可设置为较低等级的任务。这样就可保证系统对一些中断请求的实时快速响应。同时逻辑任务的添加，并不影响整个控制程序的循环时间，因而也不会影响系统控制的精度。对水电站监控系统来说，可将LCU 的控制任务划分成以下任务块，并确定其优先级。
Timer＃1[4ms] 事件顺序记录
GPS对时
Cyclic＃1[20ms] 采样
         故障处理
         事故迫忆
Cyclic＃3[100ms]机组开机控制
         机组停机控制
         辅机控制
         状态判断
         参数设置、处理程序
Cyclic＃4[20ms] PCC 热插拔时的处理
         电量仪通讯
         三菱PLC 通讯
         温度巡检仪通讯
         保护系统通讯
 由于GPS 对时是保证整个系统精度的首要因素，事件顺序记录SOE 是关乎整个监控系统性
能优劣的关键要素，于是将其设置为最高优先级。其次为采样、故障处理和事故追忆子程序，其循环时间为20ms 。至于开停机等控制操作和参数处理，我们将其循环时问设置为100ms，优先级次于采样等子程序。各通信子程序的优先级别最低。系统只有在响应完优先级别高的任务请求时，才会处理该级别的任务请求。

4 该系统优点
本文吸收先进的全开放的监控设计思想，将工业控制领域里一项先进的技术和产品一一PCC , 引进到水电站的控制当中 , 使水电站监控系统无论是在技术上还是结构上都有了一个新的突破。
     （1）结构简单，层次清晰。抛弃了现地控例单元配置PLC和工控机双CPU 的烦琐做法，使PCC担负起顺序控制、数据处理、于上位机通信等多重任务。使电站监控系统形成电站级和现地控制级双重网络结构，符合先进的分布式设计思想。
(2）维护方便。PCC 的软件编程环境支持在线或离线模拟，使得程序的修改和维护更直观、方便。
(3）便于扩充和升级。硬件和软件都采用模块化设计，易于系统扩充配置和维护。
(4）性能优良。PCC 各模块都采用光电隔离技术，抗干扰能力强。
(5）节省开发时间。PCC 的优良性能使得在抗干扰设计等环节大大减少了工作量。

5 小结
这种控制模式不但可以降低投资成本，而且因其层次清晰，模块化配置等特点减少了系统故障的发生。对于在目前我国地方投资不足的情况下加快中小型水电站的建设步伐是很有促进作用的。

参考文献：
[1] 钟志坚．电梯PCC 自动控制和故障诊断的研究[D] ．广西大学机械电子工程，2002.5
[2] 齐蓉．新一代可编程控制器技术[M] ．<